Čo o našom zdraví hovorí odpadová voda? Snaží sa na to prísť projekt WATCH

Význam odpadových vôd ako zdroja informácií sa naplno ukázal počas pandémie COVID-19. Práve vtedy sa ukázalo, že monitoring odpadových vôd môže poskytnúť včasný a nezávislý obraz o vývoji infekcie v populácii. Projekt WATCH chce tento princíp posunúť ďalej. „Našou ambíciou bolo tento princíp výrazne rozšíriť: nesledovať iba jeden vírus, ale prepojiť infekčné ochorenia, životný štýl, užívanie drog a liečiv, environmentálne znečistenie, kvalitu ovzdušia a bezpečnostné riziká,“ vysvetľuje profesor Tomáš Mackuľak.

Projekt WATCH teda nevznikol ako izolovaný technologický nápad. Jeho základom sú viac ako desaťročné skúsenosti riešiteľov s analýzou odpadových vôd, drogových metabolitov, liečiv, mikropolutantov, patogénov či génov antibiotickej rezistencie. Na tieto poznatky nadväzuje vývoj senzorov, dekontaminačných technológií, pokročilých analytických metód a nástrojov na spracovanie veľkého množstva dát.

Zrkadlo spoločnosti

Odpadová voda v sebe nesie množstvo informácií o látkach, ktoré ľudia vylučujú, používajú alebo vypúšťajú. Pri správnom odbere a analýze tak môže vytvoriť anonymizovaný populačný obraz o dianí v konkrétnej lokalite.

Odborníci v nej dokážu sledovať napríklad genetický materiál vírusov a baktérií, vybrané patogény, gény antibiotickej rezistencie, rezíduá liečiv a antibiotík či drogy a ich metabolity. Zároveň môže poskytnúť informácie o niektorých ukazovateľoch životného štýlu, ako sú kofeín či biomarkery alkoholu. Z environmentálneho hľadiska možno sledovať pesticídy, priemyselné chemikálie, toxické látky, mikropolutanty a vybrané formy mikroplastov.

Dôležitou súčasťou Mackuľakovho vysvetlenia je však aj upozornenie na hranice tejto metódy. Odpadová voda nedokáže diagnostikovať konkrétneho človeka. Výsledky môžu poukázať na populačný trend alebo neštandardný signál, nie na konkrétneho jednotlivca s konkrétnym ochorením.

Od zachytenia signálu až po predikciu

Projekt WATCH nechce zostať iba pri laboratórnom meraní. Jedným z jeho cieľov je prepájať údaje z odpadových vôd s informáciami zo senzorov, meteorologickými údajmi, údajmi o kvalite ovzdušia a ďalšími environmentálnymi, zdravotnými či priestorovými databázami.

Významnú úlohu pritom bude mať umelá inteligencia. Tá má pomáhať nielen pri spracovaní veľkého množstva dát, ale aj pri hľadaní vzorcov, ktoré by človek v komplexných dátach nemusel postrehnúť.

„Najvyššou úrovňou bude predikcia: odhad ďalšieho vývoja, vytváranie rizikových máp, rozpoznávanie vznikajúcej epidémie alebo neštandardného chemického signálu a návrh, kde je potrebné vykonať kontrolný odber,“ približuje Mackuľak.

Umelá inteligencia však podľa neho nemá nahradiť odborné rozhodovanie. Výsledkom majú byť pravdepodobnosti, rizikové skóre a vysvetlenie, z akých údajov model vychádza. Konečná interpretácia a rozhodnutie zostanú na odborníkoch a príslušných inštitúciách.

DATA-KOCKA, SEWAGE MIND a CitySenseAI

Súčasťou projektu sú tri významné technologické výstupy, z ktorých každý má inú úlohu.

DATA-KOCKA bude fungovať ako spoločný dátový sklad a zároveň spoločný jazyk projektu. Prepájať má laboratórne výsledky so senzorovými, meteorologickými, geografickými, demografickými, zdravotníckymi a environmentálnymi údajmi.

SEWAGE MIND bude analytickým „mozgom“ systému. Zameria sa predovšetkým na údaje z odpadových vôd a kanalizačnej siete. Jeho úlohou bude vyhodnocovať trendy, identifikovať anomálie, porovnávať aktuálne výsledky s bežným stavom a vytvárať upozornenia či predikcie.

CitySenseAI možno zase vnímať ako mapu a simulátor mesta. Digitálne dvojča umožní údaje zasadiť do priestoru a prepájať ich napríklad s kvalitou ovzdušia, meteorológiou či charakterom konkrétneho územia.

„Zjednodušene: DATA-KOCKA dáta uchováva a prepája, SEWAGE MIND ich interpretuje a CitySenseAI ich zobrazuje v priestore a umožňuje modelovať možné scenáre,“ vysvetľuje Mackuľak.

WATCH spojí viaceré oblasti výskumu

Na projekte spolupracuje sedem subjektov, ktoré do konzorcia prinášajú rozdielne odborné kapacity. UCM ako koordinátor zabezpečuje najmä výskum v oblasti epidemiológie odpadových vôd, analytickej chémie, mikrobiológie a molekulárnej biológie, hodnotenia zdravotných a environmentálnych rizík či senzoriky. Súčasťou expertízy sú aj dekontaminačné a dezinfekčné technológie a systémy environmentálneho monitorovania.

Partneri zo Slovenskej technickej univerzity v Bratislave prinášajú environmentálne a procesné inžinierstvo, technológie čistenia vôd, materiálový výskum, modelovanie či automatizáciu. Akadémia Policajného zboru v Bratislave zabezpečuje bezpečnostný a kriminologický pohľad. Centrum vedecko-technických informácií SR prináša skúsenosti s vedeckými dátami a dátovou infraštruktúrou. YMS, a. s., sa podieľa na dátovej a geoinformačnej integrácii, SEC Technologies, s. r. o., na diaľkovej detekcii chemických látok v ovzduší a CHEZAR, spol. s r. o., na membránových a separačných procesoch a technológiách úpravy vody.

Práve prepojenie týchto oblastí považuje Mackuľak za jednu z najväčších hodnôt projektu. Cieľom totiž nie je vytvoriť iba vedeckú publikáciu, ale systém, ktorý dokáže vedecké výsledky pretaviť do technológie a následne do rozhodovania v praxi.

Prvé výsledky ešte počas projektu

Projekt sa realizuje od mája 2025 do decembra 2029. To však neznamená, že na jeho výsledky bude potrebné čakať až po jeho skončení.

Už počas projektu majú vznikať validované analytické metodiky, pravidelný systém odberov, viacročné časové rady, nové senzorové riešenia, mobilný membránový systém na zber a koncentráciu vzoriek či adaptované LIDAR meranie ovzdušia. Súčasne majú vzniknúť funkčné prototypy platforiem SEWAGE MIND, CitySenseAI a DATA-KOCKA.

„Očakávame teda prvé mapy, identifikované trendy, pilotné varovania, vedecké publikácie, metodické výstupy a vyškolených odborníkov ešte pred jeho ukončením,“ uvádza Mackuľak.

Dlhodobejší efekt sa má prejaviť v ďalších rokoch. Pôjde napríklad o rozšírenie systému na ďalšie lokality, využívanie výsledkov inštitúciami, vznik dlhších časových radov, prenos technológií do praxe či reálne zásahy na základe včasných varovaní.

Príležitosť aj pre študentov

WATCH zároveň vytvára priestor na zapojenie študentov a doktorandov. Tí sa môžu podieľať na odbere a príprave vzoriek, analytických metódach, PCR a sekvenovaní, kalibrácii senzorov, GIS spracovaní, programovaní či vývoji modelov umelej inteligencie.

Výsledky projektu sa tak môžu premietnuť aj do bakalárskych, diplomových a dizertačných prác, odborných praxí či výučby. Študenti pritom nebudú pracovať iba s modelovými úlohami, ale s reálnymi environmentálnymi problémami a reálnymi dátami.

Aby WATCH nezostal iba projektom

Projekt WATCH má ambíciu patriť medzi najkomplexnejšie integrované systémy svojho druhu v Európe. Jeho unikátnosť nemá spočívať v samotnom monitoringu odpadových vôd, ktorý už v Európe funguje, ale v rozsahu prepájania jednotlivých technológií a dátových zdrojov – od chemickej, biologickej a genetickej analýzy cez smart senzory a monitoring ovzdušia až po umelú inteligenciu, digitálne dvojča mesta a aplikácie pre verejné zdravie, životné prostredie či bezpečnostné zložky.

Za skutočný úspech projektu preto Mackuľak nepovažuje samotný počet publikácií, prístrojov alebo vytvorených aplikácií. Rozhodujúce bude, či sa podarí vytvoriť systém, ktorému budú odborníci dôverovať a ktorý bude možné reálne využívať pri rozhodovaní.

„Najväčším úspechom by bolo, keby WATCH po piatich rokoch nebol iba ukončeným projektom, ale fungujúcou infraštruktúrou verejného zdravia a environmentálnej bezpečnosti,“ uzatvára profesor Tomáš Mackuľak.